JPS62111093A - Lock-bit with abrasion-resistant insert - Google Patents
Lock-bit with abrasion-resistant insertInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野1
本発明は着層を穿孔するための多結晶ダイヤモンド(P
CD)が先付けされたインサートを有する、油井等を穿
孔するためのロック・ビットに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field 1] The present invention is directed to polycrystalline diamond (P) for perforating deposited layers.
The present invention relates to a locking bit for drilling oil wells, etc., having an insert tipped with a CD.
[発明の背景]
重負荷ロック・ビットは、油、ガス、地熱スヂーム等の
ために地層に井戸を穿孔する際に用いられる。この種ビ
ットは、ドリル・ストリングに接続されたボディと、着
層を穿孔するためにボディに支持された、典型的には3
つの複数の中空のカッタ・コーンと、を有する。BACKGROUND OF THE INVENTION Heavy duty rock bits are used in drilling wells into geological formations for oil, gas, geothermal swaths, and the like. This type of bit has a body connected to a drill string and typically three
and a plurality of hollow cutter cones.
カッタ・コーンはその下端部でボディと一体のtjAv
Jジ11−ナル若しくはビン上に支持される。使用にお
いてコーンが穿孔されるボア穴の底部に接触するにつれ
て、ドリル・ストリング及びビット・ボディはボア穴内
で回転され、各コーンは各ジ11−ナル上で回転される
。上記ロック・ビットが硬い層に用いられると、高い圧
力及び温度に遭遇する。このような厳しい環境における
ロック・ビットの全使用ip命は、約5000乃至zo
、ooortの深さで且つ約6−1/ 2乃至12−1
/4 inの直径の寸法において、20乃至20011
5間である。典型的には使用寿命は約65乃至150時
間である。The cutter cone has a tjAv integral with the body at its lower end.
J11 - supported on the terminal or bottle. In use, as the cones contact the bottom of the borehole being drilled, the drill string and bit body are rotated within the borehole, with each cone being rotated over its respective borehole. When the lock bit is used on hard layers, high pressures and temperatures are encountered. The total usage IP life of a lock bit in such a harsh environment is approximately 5000 to
, ooort deep and about 6-1/2 to 12-1
20 to 20011 in diameter dimensions of /4 in.
It is 5 minutes. Typically the service life is about 65 to 150 hours.
ボア穴が穿設されるにつれてロック・ビットが摩滅若し
くは破損すると、ビットを交換するためにドリル・スト
リングを引抜く必要がある。ビットを交換するために必
要な時間は、穿孔操作におけるり本釣な損失となる。こ
の11.1間は、特に11戸の深さが大ぎくなる程、せ
戸を完成する総時間の人き41部分を占めるようになる
。従って着層にa3けるドリル・ビットの′R命を最大
化することが望ましいことは明らかである。穿孔時間の
延長はビット交換のためにドリル・スi・リングを「往
復」ざUる時間の10失を最小どする。As the bore hole is drilled, the locking bit becomes worn or damaged, requiring the drill string to be pulled out to replace the bit. The time required to change bits is a significant cost in the drilling operation. This 11.1 interval will occupy 41 parts of the total time to complete the wall, especially as the depth of the 11 houses increases. Therefore, it is clearly desirable to maximize the R life of the drill bit in deposition a3. Extended drilling time minimizes the loss of 10 minutes in time spent "reciprocating" the drill spool to change bits.
ドリル・ビットの交換は種々の理由から必要となり、こ
れ等の理由としては着層に接触方る構造の摩滅若しくは
破損等が含まれる。ドリル・ス1へリング、トのロック
・ビットの交換の伯の主要な理由は、過剰な摩擦、潤滑
剤の消耗等により、ローラ・コーンを支持づるベアリン
グが破損することである。成る着層におけるロック・ビ
ットの破IQには神々の他の主要でない原因が存在する
。交換の原因となるであろうロック・ビットのこれ等成
分の機能を高めると共に寿命を延ばそうとする努力が続
けられて来ている。ベアリングについては連続的な改良
がなされているが、ロック・ピッ1−の切削構造につい
ては主な改良が殆どなされていない。Replacement of the drill bit may be necessary for a variety of reasons, including wear or damage to the structure contacting the deposit. The main reason for replacing drill bits and locking bits is damage to the bearings that support the roller cone due to excessive friction, lubricant depletion, etc. There are other non-primary causes for Rock Bit's broken IQ in the formation of the gods. Efforts have continued to improve the functionality and extend the life of these components of locking bits that would otherwise require replacement. Continuous improvements have been made to bearings, but few major improvements have been made to the cutting structure of lock pits.
ロック・ピッ1−がボア穴を穿設する時、ボア穴の直径
若しくは用法を所望の値に維持することが重要である。When the lock pit 1- drills a bore hole, it is important to maintain the diameter or usage of the bore hole at the desired value.
ロック・ピッ1−の各コーン」二のインリートの最外列
はゲージ列として知られている。The outermost row of inlets in each cone of the lock pit is known as the gauge row.
このインナートの列は最大の摩擦を受け、何故なら、こ
の列は穴の底部上の最外部を移動するからであり、また
ゲージ列インサートは、ドリル・ビット・ボディ上でコ
ーンが回転するにつれて、穴の側壁を擦る傾向もある。This row of inners experiences the greatest friction because it travels the outermost part over the bottom of the hole, and the gauge row inserts experience the greatest friction as the cone rotates on the drill bit body. , there is also a tendency to scrape the side walls of the hole.
ゲージ列インサートが摩耗するにつれて、穿孔されるボ
ア穴の直径はロック・ビットの原寸法以下に減少する。As the gauge row insert wears, the diameter of the bore hole being drilled decreases below the original size of the lock bit.
ビットが摩滅し且つ排除されると、穴の底部は通常寸法
が小さくなる。次のビットが穴内で駆動される時、従っ
て完全な所望の寸法にするために穴の底部を拡げる必要
がある。これは実質的に時間が■トかるだ()でなく、
ゲージ列インサートの摩耗を引き起こし、このことは再
び第2ビツトが摩滅するにつれて寸法の小ざい穴をもた
らすこととなる。更に、ビットが穴を拡げるにつれ、コ
ーンに側部荷重が供給され、ビットを[ピンヂング1す
ると共に、ベアリングに高い側部荷重を供給し、これは
ベアリングの早期破損を生じさせる。As the bit wears out and is removed, the bottom of the hole typically decreases in size. When the next bit is driven into the hole, it is therefore necessary to widen the bottom of the hole to achieve the full desired size. This actually costs a lot of time (), but
This causes wear of the gauge row insert, which again results in an undersized hole as the second bit wears away. Additionally, as the bit widens the hole, a side load is applied to the cone, causing the bit to pin and providing a high side load to the bearing, which causes premature failure of the bearing.
穿孔される岩屑中へのロック・ビットの侵入速度は穿孔
の重要なパラメータである。明らかに高速度の穿孔を維
持することが望ましく、何故ならこれは井戸の穿孔に必
要なl111間を減少さV、この時間は穿孔において包
含される固定原価故に非常に高価である。コーン内のイ
ンナートが摩耗し、穿孔開始時と同程度にはコーン表面
から突出しなくなると、侵入速度は減少する。摩耗イン
サートは増大した曲率半径及び増大した着層接触域を有
する。従って侵入により大ぎな力が必要となり、これは
ベアリングの破損及びゲージ列インサートの破壊をもた
らす。穿孔速度は作業者によって連続的に観察され、侵
入速度が許容程度以下となるJ:うにインリートが摩耗
した時点で、ビットが交換される。The penetration rate of the rock bit into the rock debris being drilled is an important parameter of drilling. Obviously, it is desirable to maintain a high rate of drilling, since this reduces the time required to drill a well, which is very expensive due to the fixed costs involved in drilling. As the inner in the cone wears away and no longer protrudes from the cone surface to the same extent as when drilling began, the rate of penetration decreases. The wear insert has an increased radius of curvature and increased lamination contact area. Penetration therefore requires significant force, which results in bearing failure and gauge row insert failure. The drilling speed is continuously observed by the operator, and the bit is replaced when the penetration speed is below an acceptable level and the inlet is worn.
故にロック・ビットのインサートの摩耗抵抗を最大とし
て、実現可能な限り高い侵入速度を維持づることが重要
である。特にゲージ列インサートの摩耗を最小として完
全な寸法に穿設された穴の良さを最大とすることが重要
である。It is therefore important to maximize the wear resistance of the locking bit insert to maintain as high a penetration rate as practicable. In particular, it is important to minimize wear on the gauge row insert and maximize the quality of the perfectly dimensioned holes.
超硬タングステン・カーバイドの通常のインサートの耐
IT耗性は、タングステン・カーバイドの比率を増大さ
せると共に、複合材料にJ3けるコバルトの比率を減少
させることにより強化される。The IT wear resistance of conventional inserts of cemented carbide tungsten carbide is enhanced by increasing the proportion of tungsten carbide and decreasing the proportion of cobalt in J3 in the composite.
これは超硬タングステン・カーバイドの硬度及び耐摩耗
性を増大さける一方その靭性を減少させ、コバルトの含
有値が多いインサー1−よりもインナートは破壊感受性
が高くなる。例示の実施例においてロック・ビットに用
いるインサートのコバル1−含右吊は約6乃至16小ω
%である。This increases the hardness and wear resistance of the cemented tungsten carbide, but reduces its toughness, making the inner more susceptible to fracture than Inser 1-, which has a higher cobalt content. In the illustrated embodiment, the insert used in the locking bit has a Koval 1-containing suspension of approximately 6 to 16 small ω.
%.
耐摩耗性及び靭性に影響する他の要素は、タングステン
・カーバイド相の粒子の寸法である。インサートにおけ
る例示的な粒子寸法は、3乃至7μである。この粒子寸
法は、より大きな及びより小さな粒子を含む混合粉体の
平均粒子寸法である。Another factor that affects wear resistance and toughness is the size of the tungsten carbide phase particles. Exemplary particle sizes in the insert are 3 to 7 microns. This particle size is the average particle size of the mixed powder including larger and smaller particles.
例えば平均粒子寸法が5μであると、それ以下の寸法粒
子と共に7若しくは8μのような大きな粒子がh在する
。一般的には靭性はより大きな粒子寸法を伴って増大し
、耐摩耗性も同様である。ロック・ビット・インサート
のための超硬タングステン・カーバイドの通常のグレー
ドは、約6μの平均タングステン・カーバイド粒子寸法
を有し、約10乃至14重恐%コバルトを含む。For example, if the average particle size is 5 microns, there will be particles as large as 7 or 8 microns along with particles of smaller sizes. Toughness generally increases with larger particle size, as does wear resistance. A typical grade of cemented carbide tungsten carbide for rock bit inserts has an average tungsten carbide particle size of about 6 microns and contains about 10-14% cobalt.
ロック・ビットにおいてインリートの靭性は重要で、何
故なら、インサーI−はき層に対して擦られることによ
る摩耗だけでなく、コーンの回転に伴ってlj m荷重
を受けるからである。インサートの破壊は、穿孔作用の
減少をbたらずだけで<K <、破壊インサートの破片
が他のインサートをU 113させるために重要な問題
となる。従って破壊に抵抗するように靭性があり、また
摩耗に抵抗するように硬いインIナートを提供すること
が望ましい。The toughness of the inlet is important in rock bits because it is subjected to lj m loads as the cone rotates, as well as wear due to rubbing against the insert I-skin layer. Fracture of the insert becomes an important problem because the fragments of the fractured insert cause other inserts to U 113 without only reducing the drilling action. It is therefore desirable to provide an inner inert that is tough to resist fracture and hard to resist wear.
[発明の要約]
従って本発明によれば、一端部にドリル・ストリングに
ビットを接続するための手段を有すると共に、他端部に
ピッ1〜の軸に交差する軸の周りを回転するようにロー
ラ・コーンを支持する手段を有する、鋼製ボディの付い
たロック・ビットが提供される。穿孔されるボア穴の底
部上で回転するようボディに支持された各ローラ・コー
ンは、ボア穴の底部で岩を砕くための複数のインリーー
トを含む。これ等インサートの少なくとも一部分は、コ
ーン内に着座するグリップ長さと、コーンの表面から突
出する東京端部分と、を有する超硬タングステン・カー
バイド・ボディからなる。多結晶ダイV′U:ンドを含
む層が、多結晶ダイヤモンド結晶ド層バイド・ボディと
の間の移行層を伴ってカーバイド・ボディの集束端部上
に設けられる。移行層は、ダイヤモンド結晶及び予超硬
タングステン・カーバイド粒子を含む複合材料からなる
。SUMMARY OF THE INVENTION According to the invention, therefore, the bit has at one end a means for connecting the bit to the drill string, and at the other end a means for connecting the bit to the drill string for rotation about an axis intersecting the axis of the drill bit. A locking bit with a steel body is provided having means for supporting a roller cone. Each roller cone, supported by the body for rotation over the bottom of the borehole being drilled, includes a plurality of inlets for breaking up rock at the bottom of the borehole. At least a portion of these inserts consist of a cemented carbide tungsten carbide body having a grip length that seats within the cone and a Tokyo end portion that projects from the surface of the cone. A layer containing a polycrystalline die V'U:nd is provided on the converging end of the carbide body with a transition layer between the polycrystalline diamond crystal layer and the bide body. The transition layer consists of a composite material including diamond crystals and pre-hardened tungsten carbide particles.
[実施例1
例示のロック・ビットは下端部に支持された3個のカッ
タ・コーン11を有する鋼製ボディ10からなる。油L
[等を穿孔するため、ドリル・ストリング上へロック・
ビットを組立てるように、ボディの上端部に捩子付きビ
ン12が設けられる。穿孔される岩屑に接触するように
、カッタ・コーンの表面に複数のタングステン・カーバ
イド・インサート13が設けられる。Example 1 The exemplary locking bit consists of a steel body 10 having three cutter cones 11 supported at the lower end. Oil L
Lock onto the drill string to drill [etc.
A screw bin 12 is provided at the upper end of the body for assembling the bit. A plurality of tungsten carbide inserts 13 are provided on the surface of the cutter cone to contact the rock debris being drilled.
第2図は、カッタ・コーン11が支持される3つの脚の
1つを通しで、ロック・ビットの回転@14から半径方
向に延びるロック・ビットの長手方向断面図である。各
脚はロック・ビット・ボディの下向e■つ半径方向内向
きに延びるシ1シープル・ビン16を含む。ジャーナル
・ビンはその下側部分上に硬質金属インサート11を有
する円筒形ベアリング表面を含む。硬質金属インサート
は、典型的にはジャーナル脚の溝内の所定位置に熔接さ
れたコバルト若しくは鉄を主成分とした合金で、ジャー
ナル・ビン及びロック・ビット・ボディを形成する鋼よ
りも実質的に大きな硬さを有する。インサート11に対
応する開放構18はジャーナル・ビンの上側部分に設け
られる。例えば上記溝はジp −ナル・ビンの周囲の6
0%程度に延び、硬質金11117が残りの40%程度
に延びる。ジャーナル・ビンはまたその下端部に円筒形
ノーズ19を有する。FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of the locking bit extending radially from the rotation @ 14 of the locking bit through one of the three legs on which the cutter cone 11 is supported. Each leg includes a sheeple bin 16 extending downwardly and radially inwardly of the lock bit body. The journal bin includes a cylindrical bearing surface with a hard metal insert 11 on its lower portion. Hard metal inserts are typically cobalt- or iron-based alloys welded in place within the grooves of the journal legs and are substantially stronger than the steel forming the journal bin and lock bit body. It has great hardness. An opening 18 corresponding to the insert 11 is provided in the upper part of the journal bin. For example, the groove above is 6
The hard gold 11117 extends to the remaining 40%. The journal bin also has a cylindrical nose 19 at its lower end.
各カッタ・コーン11は外表面の穴へ埋込まれたタング
ステン・カーバイド・インサート13を右する、中空で
概ね円錐形の鋼製ボディの形態をなす。Each cutter cone 11 is in the form of a hollow, generally conical steel body with a tungsten carbide insert 13 embedded into a hole in its outer surface.
各コーン上のインサートの外側列20は、これ等のイン
サートがボア穴の寸法若しくは直径を穿設することから
、ゲージ列として言及される。上記タングステン・カー
バイド・インサートは、ロック・ビットが回転されるに
つれて、穿孔されるボア穴の底部で地下着層と係合し且
つこれを砕くことにJ、す、穿孔作用を提供1′る。コ
ーン内の空所は、鋼製コーンの溝内に収納された若しく
はコーンの溝内の浮遊インサー1−としてのアルミニウ
ム・銅インリート21を含む円筒形ベアリング表面を含
む。The outer rows 20 of inserts on each cone are referred to as gauge rows because these inserts drill the bore hole size or diameter. The tungsten carbide insert provides a drilling action in engaging and fracturing the basement layer at the bottom of the bore hole being drilled as the lock bit is rotated. The cavity in the cone contains a cylindrical bearing surface containing an aluminum-copper inlet 21 housed in a groove of the steel cone or as a floating insert 1- in the groove of the cone.
コーン内のアルミニウム・銅インサート21は脚上の硬
質金属インサート17と係合し、ビット・ボディ1−の
コーンのための主ベアリング表面を提供する。ノーズ・
ボクン22がコーン内の空所の端部とノーズ19との間
に存在し、ジャーナル・ビン上のコーンの主要なスラス
ト荷重を支持1゛る。プツシ123がノーズを包囲し、
コーンとジャーナル・ビンとの間に追加のベアリング表
面を提供する。。The aluminum-copper insert 21 in the cone engages the hard metal insert 17 on the leg and provides the main bearing surface for the cone of the bit body 1-. Nose
A box 22 exists between the end of the cavity in the cone and the nose 19 to support the primary thrust load of the cone on the journal bin. Putushi 123 surrounds the nose,
Provides additional bearing surface between the cone and journal bin. .
複数のベアリング・ボール24が、コーン及びジャーナ
ル・ビン内の補完ボール・レース内に密封される。ボー
ルは、ベアリング・レースと[1ツク・ピッ1−の外部
との間でジャーナル・ビンを通して延びるボール通路2
6を通して挿入される。コーンは先ずジV−ナル・ビン
上に装着され、次にベアリング・ボール24がボール通
路を通して挿入される。ボールはジャーナル・ビンから
コーンを外そうとする全てのスラスト荷重を支持し、従
ってジ1シーナル・ビン上にコーンを保持する。ボール
はこれ等が所定位置に置かれた後にボール通路26を通
して挿入されるボール・リティt27にJ:リレース内
に保持される。次いでプラグ28がボール通路の端部内
へ熔接され、ボール・リティナを所定位置に保持する。A plurality of bearing balls 24 are sealed within complementary ball races within the cone and journal bins. The balls are placed in a ball passageway 2 extending through the journal bin between the bearing race and the outside of the pin 1-.
inserted through 6. The cone is first mounted on the V-bin and then the bearing balls 24 are inserted through the ball passages. The ball supports any thrust loads that attempt to dislodge the cone from the journal bin, thus retaining the cone on the journal bin. The balls are held in the J:relay by a ball holder t27 which is inserted through the ball passage 26 after they are in place. A plug 28 is then welded into the end of the ball passage to hold the ball retainer in place.
ジャーナル・ビンとコーンとの間のベアリング表面は、
種々の通路及びグリース・リザーバに加えてベアリング
表面に隣接する区域を満たすグリースにより潤滑される
。グリース・リザーバは潤滑剤通路31によりボール通
路2Gに接続されたロック・ビット・ボディ内の空所2
9からなる。グリースはまた、ボール・リテイナに隣接
するボール通路の一部分、ジ1シーナル・ピンの上側の
開放溝18、及び両者間の対角延在通路32を満たす。The bearing surface between the journal bin and cone is
It is lubricated by grease filling the various passageways and grease reservoirs as well as areas adjacent to the bearing surfaces. The grease reservoir is a cavity 2 in the lock bit body connected to the ball passage 2G by a lubricant passage 31.
Consists of 9. The grease also fills a portion of the ball passageway adjacent to the ball retainer, the open groove 18 on the upper side of the distal pin, and the diagonally extending passageway 32 therebetween.
グリースはコーンとジ11−ナル・ビンとの間のOリン
グ33の形態をなす弾性シールによりベアリング構造内
に保持される。The grease is retained within the bearing structure by a resilient seal in the form of an O-ring 33 between the cone and the internal bottle.
圧力補償Iナブアセンブリがグリース・り暑f−バ29
内に含まれる。このサブアセンブリは内端部に開口36
の付いた金属製キャップ34からなる。可撓ゴム製ベロ
ーズ37がギャップ内へその外端部から延びる。ベロー
ズは貞通ずるベント通路39を右するキャップ38によ
り所定位置に保持される。圧力補fitナブアセンブリ
はスナップ・リング41によりグリース・リザーバ内に
保持される。Pressure compensation I nub assembly is greased and heated.
contained within. This subassembly has an opening 36 at the inner end.
It consists of a metal cap 34 with a . A flexible rubber bellows 37 extends from its outer end into the gap. The bellows is held in place by a cap 38 that opens a vent passageway 39 through it. The pressure compensating fit nub assembly is retained within the grease reservoir by snap ring 41.
ベローズはその内端部においてボス42を有し、ボスは
ベント通路39をシールするためベローズの転置の一端
部にJ5いてギjyツブ38に対して着座できる。ベロ
ーズの端部はまたキャップ34に対してそのストローク
の他端部で着座し、従って間口36をシールJ−ること
ができる。The bellows has a boss 42 at its inner end which can be seated against the gear 38 at one end of the bellows displacement for sealing the vent passageway 39. The end of the bellows can also seat against the cap 34 at the other end of its stroke, thus sealing the frontage 36.
本発明の実施において、ロック・ビットの切削M4造の
少なくとも一部分は、多結晶ダイヤモンドが先付けされ
たタングステン・カーバイド・インリートからなる。例
示のインサートは第3図に長手方向断面で示される。こ
のインサートは、インナートの主部分に沿って延びる円
筒形グリップ46を有する。一端部において、所望の切
削構造に依存する種々の形状のいずれかを右するであろ
う集束部分41が存在する。集束部分は放物形状若しく
は丸い端部のイ」いた基本的に円錐体として言及される
。これは両側に集束平坦カット及び丸い端部の付いた円
錐体のようなたがね形状とすることができる。集束部分
は半球体若しくは技術的に公知の種々の他の形状とする
ことができる。In the practice of the present invention, at least a portion of the cutting M4 construction of the lock bit is comprised of a tungsten carbide inlet tipped with polycrystalline diamond. An exemplary insert is shown in longitudinal section in FIG. The insert has a cylindrical grip 46 extending along the main portion of the inner. At one end there is a focusing portion 41 which may take on any of a variety of shapes depending on the desired cutting structure. The focusing portion is referred to as a parabolic shape or essentially a cone with a rounded end. This can be chisel-shaped, like a cone, with converging flat cuts and rounded ends on both sides. The focusing portion can be hemispherical or various other shapes known in the art.
上記インサートはローラ・コーン内に埋込み装着若しく
はろう付けされる。各コーンはその外表面の周囲列に複
数の平坦底部穴を有する。例示の穴は例示のインサート
のグリップ46の直径よりも約0.13 mm小さい直
径を有する。インサートは数千ボンドの力で鋼製コーン
の穴内に埋込まれる。The insert is potted or brazed into the roller cone. Each cone has a plurality of flat bottom holes in a circumferential row of its outer surface. The exemplary hole has a diameter approximately 0.13 mm smaller than the diameter of the grip 46 of the exemplary insert. The insert is driven into the hole in the steel cone with a force of several thousand bonds.
コーン内へのインサートの埋込み装着はインサー1〜を
所定位置に緊密に保持すると共に穿孔中にこれが外れる
のを阻止する。The embedded mounting of the insert within the cone holds the insert 1~ tightly in place and prevents it from becoming dislodged during drilling.
第3図図示インサー1−の集束部分は、ロック・ビット
内でインサ”−トが用いられる時に岩と係合するための
外層48と、外層間の内層49と、インサートの主超硬
タグステン・カーバイド・ボディと、を有する。例示の
実施例の外層は125μの厚さの多結晶ダイヤモンド(
PCD)からなる。内層は380μの厚さを有し、米国
特許第4,525,178号に開示されるような多結晶
ダイヤモンドと予超硬タングステン・h−バイトとの複
合44 Flからなる。The focusing portion of the insert 1- shown in FIG. 3 includes an outer layer 48 for engaging rock when the insert is used in a rock bit, an inner layer 49 between the outer layers, and a main carbide tungsten layer of the insert. and a carbide body.The outer layer of the exemplary embodiment is 125μ thick polycrystalline diamond (
PCD). The inner layer has a thickness of 380 microns and consists of a composite 44 Fl of polycrystalline diamond and pre-tungsten carbide h-bite as disclosed in US Pat. No. 4,525,178.
この明細N内で用いられているように、多結晶ダイヤモ
ンドという用語は、その略m rPcDJに従って、隣
接ダイヤモンド結晶間で結晶粒の結合が生じる充分な高
圧及び高温を個々のダイV[ンド結晶に負わせることに
より製造した材料をいう。As used within this Specification, the term polycrystalline diamond refers to the application of sufficiently high pressures and temperatures to individual die V[nd crystals, in accordance with its abbreviation m rPcDJ, to cause grain bonding between adjacent diamond crystals. Refers to materials manufactured by applying pressure.
例示の最小温度は約1300℃で、例示の最小圧力は約
35キロバールである。所与の実施例における最小の充
分な温度及び圧力は、]バパルのようなダイヤモンド結
晶に対する触媒の存在等の伯のパラメータに依存する。An exemplary minimum temperature is about 1300°C and an exemplary minimum pressure is about 35 kilobar. The minimum sufficient temperature and pressure in a given embodiment depends on the following parameters, such as the presence of a catalyst for diamond crystals, such as Vapal.
通常上記触媒/結合祠料は、工程の選択された時間、温
度及び圧力にJ3いて結晶粒の結合を確実にするために
用いられる。ここで用いられるように、PCDは残留]
パル(−を含む多結晶ダイヤモンドをいう。しばしばP
CDは技術的に「焼結ダインセンド」として言及される
。Typically, the catalyst/bonding agent described above is used to ensure grain bonding at selected times, temperatures and pressures of the process. As used herein, PCD remains]
Refers to polycrystalline diamond containing PAL (-. Often P
CD is technically referred to as "sintered Dyn Send."
例示の実施例において、PCDの外層はダイヤモンド結
晶とコバルト粉体との混合体からなり、全体でコバルト
は13巾吊%若しくは6体積%となっている。望ましく
は触媒金属が1乃至10体積%で存在する。ダイヤモン
ド結晶の約65%は4乃至8μである。ダイヤモンド結
晶のその他の35%は1/2乃至1μである。ダイヤモ
ンド結晶は、自然のダイヤモンド若しくは高温、高圧工
程で製造した人工ダイヤモンドのいずれともすることが
できる。In the illustrated embodiment, the outer layer of the PCD is comprised of a mixture of diamond crystals and cobalt powder, totaling 13% cobalt or 6% by volume. Desirably the catalytic metal is present in an amount of 1 to 10% by volume. Approximately 65% of diamond crystals are between 4 and 8 microns. The other 35% of diamond crystals are between 1/2 and 1 micron. The diamond crystals can be either natural diamonds or synthetic diamonds produced in a high temperature, high pressure process.
ダイヤモンド結晶の刈払は1μ程度の寸法から上とする
ことができる。望ましくはこれ等は約20μ迄範囲が広
がる。望ましくは寸法の混合は稠密パッキングのために
用いられる。コバルト含有dは1乃至15体積%と1”
ることができ、望ましくは10体積%以下である。成る
実施例において鉄若しくはニラクルのような他の触媒も
用いられる。The diamond crystal can be cut to a size of about 1 μm or more. Preferably they extend to about 20 microns. Preferably a mix of dimensions is used for dense packing. Cobalt content d is 1 to 15% by volume and 1"
The content is preferably 10% by volume or less. Other catalysts such as iron or niracle may also be used in some embodiments.
PCD層を作るための原材料は、ダイもンド粒子がコバ
ルトで全体的に覆われるように充分な時間砿かれ(ミル
され)ることが−望ましい。超硬タングステン・カーバ
′イドで裏張り−され1つ超硬タングステン・カーバイ
ド・ボールを用いるボール・ミル内で黒くことはダイV
〔ンドの汚染を防止する上で望ましい。所望とあればa
l擦若しくは遊星ミル用いることができる。上記ミル作
業はコバルトを「なすり付ける」のに充分なエネルギで
あるが、ダイA7モンド粒子の粉砕を防止するようでな
けれ″ばならない。−日若しくは2日間のボール・ミル
作業が適当である。The raw material for making the PCD layer is desirably milled for a sufficient period of time so that the die grains are completely covered with cobalt. The die V is lined with tungsten carbide and blackened in a ball mill using one tungsten carbide ball.
[This is desirable in order to prevent contamination of the battery.] If desired, a
A grinding or planetary mill can be used. The milling operation described above must be of sufficient energy to ``slather'' the cobalt, but must be such as to prevent crushing of the diamond particles. A ball milling operation of -day or 2 days is appropriate. .
禁かれた材料が、ダイモンドが熱力学的に安定な高温及
び充分な圧力を受けると、隣接ダイヤモンド間の結晶粒
の結合が生じ、多結晶ダイヤモンドの単一体が形成され
る。When the forbidden material is subjected to high temperatures and sufficient pressures such that the diamond is thermodynamically stable, grain bonding between adjacent diamonds occurs and a single body of polycrystalline diamond is formed.
中間複合層は、ダイヤモンド結晶、コバルト及び予超硬
タングステン・カーバイド粒子の混合体から形成される
。予超硬タングステン・カーバイドはボール・ミル等の
中でタングステン・カーバイド粉体及びコバルト粉体を
混合することにより作られる。混合粉体はコバルトの融
点近くぐ締固めされ且つ焼結される。結果としての締固
め体は内層の複合材料を作る・のに用いるため、所望の
粒子寸法に粉砕される。例示の実施例において内層の複
合材料には325米国メツシュ(約44μ)の粗粒子j
法が用いられる。The intermediate composite layer is formed from a mixture of diamond crystals, cobalt and pre-hardened tungsten carbide particles. Pre-hardened tungsten carbide is made by mixing tungsten carbide powder and cobalt powder in a ball mill or the like. The mixed powder is compacted near the melting point of cobalt and sintered. The resulting compacted body is ground to the desired particle size for use in making the inner layer composite material. In the illustrated embodiment, the inner layer composite contains coarse particles of 325 US mesh (approximately 44μ).
law is used.
予超硬タングステン・カーバイド粗粒子は種々のタング
ステン・カーバイド粒子の寸法及び形状並びに種々のコ
バルト含有ωを有する。コバルト含有量は5乃至16重
M%とすることができ、クンゲステン・カーバイド粒子
は4乃至15μであることが望ましい。例示の実施例に
おいて、粒子寸法は6μでコバルト含有量は14重量%
である。The pre-hardened tungsten carbide coarse particles have different tungsten carbide particle sizes and shapes and different cobalt contents ω. The cobalt content can be between 5 and 16% by weight, and the Kungesten carbide particles are preferably between 4 and 15 microns. In the illustrated example, the particle size is 6μ and the cobalt content is 14% by weight.
It is.
例示の実施例において、多結晶ダイヤモンドの層と超硬
タングステン・カーバイドu体どの間の内層は、40体
積%の上記ダイヤモンド粉体(6体積%のコバルトを含
む)と6体積%のタングステン・カーバイド粗粒子との
混合体から作られる。In an exemplary embodiment, the inner layer between the layer of polycrystalline diamond and the cemented carbide tungsten carbide U body comprises 40% by volume of the above diamond powder (including 6% by volume cobalt) and 6% by volume of tungsten carbide. Made from a mixture with coarse particles.
所望とあれば、超硬タングテン・カーバイドのコバルト
含有8に依存して追加のコバルトを含めることができる
。Additional cobalt can be included if desired, depending on the cobalt content of the carbide tungsten carbide.
複合層I+lを作る時、望ましい粉体を完全に混合する
。ダイヤモンド結晶及びコバルト粉体は上述の如くボー
ル・ミルで一緒に黒く。追加のコバルトを伴って若しく
は伴わずに、最初に砿かれる超硬タングステン・カーバ
イド相粒子が加えられた後、混合体を完全に6合し且つ
なすり例【ノるために、)1を合体は更に關かれる。例
えばダイV−[ンド及びコバル]へ粉体は、タングステ
ン・カーバイド粗粒子の追加の+fiに−「1中−緒に
ボール・ミルで鋸かれる。この混合体は次に更に1日若
しくは2日間ボール・ミルで砿かれる。例示のボール・
ミルでの礪く作業は48時間である。When making composite layer I+l, the desired powders are thoroughly mixed. The diamond crystals and cobalt powder are blackened together in a ball mill as described above. After the first abrasive tungsten carbide phase particles are added, with or without additional cobalt, the mixture is thoroughly combined and combined. is even more important. For example, the powder is milled in a ball mill to add tungsten carbide coarse particles to the die V-[Nand and Kobal]. Milled in a ball mill.
The working time in the mill is 48 hours.
インサー1〜上の層を作るための混合粉体は、第5図図
示の型式のアセンブリにおけるロック・ピッ1−のイン
サート・ブランク51に焼結且つ結合される。第5図図
示実施例において形成されたインサートは、」−述の第
3図図示実施例にJノけるらのと幾分異なる層を右する
が、製造技術は同じである。インサート・ブランク51
は一端部に集束部分を有する円筒形超硬タングステン・
カーバイド・ボディからなる。集束部分は完成イン丈−
トの外形をなし、その上に形成されるべき層の厚さだt
フ薄い。アセンブリは望ましくは2重壁を有する深絞り
金属製キAIツブとして形成される。内側キャップ52
が存在し、その内側は、予形成されるロック・ビット・
イン1ノートの端部の所望の正味形状に形成される。内
側キャップは50乃至125μの厚さを有するジルコニ
ウム・シー1−である。外側キャップ53は250μの
厚さの七すプデンである。ジルコニウム・シート54及
びモリブデン・シート55は泊部でアセンブリを閉鎖す
る。故に形成されたジルコニウム1ノノン」はその内部
のJtA Rを窒素及び酸素の影響から保護する。モリ
ブデン・カンはロック・ビット・インサートを形成する
のに用いられる高圧、高温プレス・サイクル中にしばし
ば存在1”ろ水からジルコニウムを保護する。The mixed powder for making the layer on the insert 1 is sintered and bonded to the insert blank 51 of the lock pit 1 in an assembly of the type shown in FIG. Although the insert formed in the illustrated embodiment of FIG. 5 has somewhat different layers than the illustrated embodiment of FIG. 3 described above, the manufacturing technique is the same. insert blank 51
is a cylindrical tungsten carbide with a focusing section at one end.
Consists of a carbide body. The focused part is finished in-length.
It has the external shape of t and the thickness of the layer to be formed on it.
It's thin. The assembly is preferably formed as a double walled deep drawn metal knit. Inner cap 52
is present, and inside it is a preformed lock bit.
In 1 form the desired net shape of the end of the note. The inner cap is a zirconium sheet with a thickness of 50 to 125 microns. The outer cap 53 is 250μ thick 700μ thick. A zirconium sheet 54 and a molybdenum sheet 55 close the assembly at the berth. The zirconium 1-nonone thus formed protects the internal JtAR from the effects of nitrogen and oxygen. The molybdenum can protects the zirconium from the 1'' water that is often present during the high pressure, high temperature press cycles used to form lock bit inserts.
コバルトを含むダイヤモンド粉体を混合した第5図図示
アセンブリの製造はキャップ内で実施され、ブランクが
軸対称の時、インサート・ブランクと同じ形状を右り°
る物体でプレスし且つ回転させることにより1t9FJ
に延展される。もしたがねインサートが作られるとする
と、粉体は概ね円錐形の工具で延展される。外層を作る
粉体が先ず延展され、次に内層を作る粉体が外層−ヒに
延展される。The production of the assembly shown in FIG. 5 with the cobalt-containing diamond powder admixture is carried out in the cap and when the blank is axially symmetrical, it is oriented to the same shape as the insert blank.
1t9FJ by pressing with an object and rotating it.
It will be extended to If spring inserts were to be made, the powder would be spread with a generally conical tool. The powder forming the outer layer is first spread, and then the powder forming the inner layer is spread onto the outer layer.
最終的にインサート・ブランクは所定位置に置かれ、ア
レンブリの頂部を閉鎖するように金属製シートが加えら
れる。少量のパラフィン・ワックスが混合粉体内に含ま
れ、薄層内における粉体の拡散及び保持を補助する。代
りに層は挿入物がキャップになる前にインサ“−1−・
ブランクの端部上に形成できる。他の実施例において、
充分なワックスが粉体に含まれ、インナート・ブランク
上若しくはキャップ内に配置される混合粉体の自己支持
「キャップ」を形成する。上記技術のいずれかによりア
センブリが形成された後、ダイスを通してアレンブリを
プレスし、それ等の内容物に対して緊密にキャップをす
え込むことが望ましい。Finally, the insert blank is placed in place and a metal sheet is added to close the top of the assembly. A small amount of paraffin wax is included within the mixed powder to assist in spreading and retaining the powder within the thin layer. Instead, the layers are inserted into the insert "-1-" before the insert becomes the cap.
Can be formed on the edges of the blank. In other embodiments,
Sufficient wax is included in the powder to form a self-supporting "cap" of the mixed powder that is placed on the inner blank or within the cap. After the assembly has been formed by any of the above techniques, it is desirable to press the assembly through a die and swage the cap tightly against its contents.
次に上記アセンブリの1つ若しくは複数は、ベル1〜・
プレス若しくはキュービック・プレスでプレスするため
に通常の高圧セル内に置かれる。種々の公知のセル形状
が適用可能である。例示のセルは、セルをシールすると
共に圧力を伝達する塩若しくはピロフィライトにより上
記アゼンブリから絶縁され、且つアセンブリを包囲する
グラファイト・ヒータ管を有する。ロック・ビット・イ
ンサートを形成するための1つ若しくは複数の上記アセ
ンブリを含む上記セルは、高圧ベルト若しくはキュービ
ック・プレス内に置かれ、焼結工程内に含まれる温度で
、ダイヤモンドが熱力学的に安定な充分な圧力が供給さ
れる。例示の実施例において、50キロバールの圧力が
用いられる。One or more of the above assemblies then include bells 1 to .
Placed in a conventional high pressure cell for pressing in a press or cubic press. Various known cell shapes are applicable. The exemplary cell has a graphite heater tube insulated from and surrounding the assembly by a salt or pyrophyllite that seals the cell and transmits pressure. The cell containing one or more of the assemblies for forming the lock bit insert is placed in a high pressure belt or cubic press and the diamond is thermodynamically heated at the temperatures involved in the sintering process. A stable and sufficient pressure is supplied. In the exemplary embodiment, a pressure of 50 kilobar is used.
アレンブリが高圧になると直ぐに、グラフアイ1−・ヒ
ータ管を通して電流が流され、少なくとも1300℃で
、望ましくは1350乃yi4oo℃にアセンブリの温
度を上品させる。多結晶ダイヤモンドの焼結及び形成の
ICめの充分な111間に亘ってアセンブリが高温とな
った時、電流が遮断され、プレスの水冷アンビルに熱移
送することにより、パーツは急速に冷却される。渦電が
1300℃以下で、望ましくは200℃以下どなった時
、圧力が解放され、セル及びその内容物がプレスから1
ノF出される。金属製カン及び他の接着祠料カンは、4
ノンド・プラスト若しくはエツチングにより完成イン1
ナートから速に除去される。完成インサー]・のグリッ
プは、ロック・ビットのコーン内の穴に密着する所望の
\1法の円筒体に基づくダイ17r:ンドである。当然
ダイヤモンド結晶及び予超硬カーバイド粒子の複金属は
、高温及び高圧で焼結され、nいに分離できる別個の形
態をなさない。Once the assembly is at high pressure, a current is passed through the graphite heater tube to raise the temperature of the assembly to at least 1300°C, preferably 1350-400°C. When the assembly has reached a sufficiently high temperature for a sufficient period of time, the electrical current is interrupted and the part is rapidly cooled by heat transfer to the water-cooled anvil of the press. . When the eddy current is below 1300°C, preferably below 200°C, the pressure is released and the cell and its contents are removed from the press.
NoF is issued. Metal cans and other adhesive cans are 4
Completed in 1 by nondo-plast or etching
is rapidly removed from the nerat. The grip of the finished insert is a cylindrical-based die 17r of the desired method that fits tightly into the hole in the cone of the lock bit. Naturally, the double metal of diamond crystals and pre-tungsten carbide particles is sintered at high temperatures and pressures and does not form distinct forms that can be easily separated.
テキザス州の西部の穿孔するのが中程度に難しい地層に
井戸を穿孔する間に、本発明に係る2つの実験的な【コ
ック・ビットが試験された。穿孔される地層は、塩、頁
岩、苦灰岩、砂岩と苦灰岩との混合、砂岩と硬石膏の混
合、砂岩と苦灰岩との混合を含んでいた。これ等の各ビ
ットは7個で、ゲージの横断直径は7〜8inであった
。用いられるインサートの形状は、同じ油原地層にJ3
いて典を的に用いられていたロック・ピッ1−の通常の
インサート(スミス・ツールF37型)と同じ形状であ
った。Two experimental cock bits of the present invention were tested while drilling wells in moderately difficult to drill formations in western Texas. The geological formations to be drilled included salt, shale, dolostone, mixed sandstone and dolostone, mixed sandstone and anhydrite, and mixed sandstone and dolostone. Each of these bits was 7 in number and the gauge cross-sectional diameter was 7-8 inches. The shape of the insert used is J3 in the same oil field formation.
It had the same shape as the regular insert (Smith Tool F37 type) of the lock pit 1- which was used as a standard.
各ビットにa3いて、ゲージ列のインサ−1〜は上述の
ように多結晶ダイヤモンドが先イ1すされていた。各超
硬タングステン・カーバイドのイン]1−ト・ブランク
は6μタングステン・カーバイド粒子及び14千吊%の
コバルトを伴って作られた3、内層は380μの厚さで
、6体積%のコバルトを伴う40体積%のダイ曳7モン
ド・コバルト混合体と、60体積%の325メツシユ予
超硬タングステン・カーバイド粒子と、から形成されて
いた。外層は125μの名目上の厚さを伴うPCDであ
った。外層の形成において幾分凹凸があり、成る区域に
おいて膚は75μ程度のjすさであったと信じられる。As described above, polycrystalline diamond was first inserted into the inserts 1 to 1 of the gauge row in each bit. Each cemented carbide tungsten carbide in]1-t blank was made with 6μ tungsten carbide particles and 14,000% cobalt, the inner layer was 380μ thick with 6% cobalt by volume. It was formed from 40% by volume of a die drawn 7 mondo cobalt mixture and 60% by volume of 325 mesh pre-carbide tungsten carbide particles. The outer layer was PCD with a nominal thickness of 125μ. It is believed that there was some unevenness in the formation of the outer layer, and that the skin was about 75 microns thick in that area.
ロック・ビット上の切削構造内の他のインサート(ゲー
ジ・インサート以外)は、6μタングステン・カーバイ
ド粉体及び14%コバルトを伴って作られた通常のタン
グステン・カーバイド・インサートであった。The other inserts in the cutting structure on the lock bit (other than the gauge insert) were regular tungsten carbide inserts made with 6μ tungsten carbide powder and 14% cobalt.
ピッ1−の1つが1514ftから4094ftの深さ
迄、即ち総計2580ftの間用いられた。ビットは4
5時間15分用いられ、平均侵入速度は57rt/l+
rであった。One of the pits was used from 1514 ft to a depth of 4094 ft, or a total of 2580 ft. The bit is 4
Used for 5 hours and 15 minutes, average penetration rate was 57rt/l+
It was r.
運転中、ビット上の荷重は15,000乃至50,00
0ボンド(G、800乃至22.700kg )で、ビ
ットは67乃至 11013RPの速度で回転した。ビ
ットの最大WRは425で、これは穿孔される場所の平
均を僅かに下回る。ビット上の荷重に関するWRはビッ
ト・ゲージ直径により分割される回転速度を時定する。During operation, the load on the bit is 15,000 to 50,000
At 0 Bond (G, 800 to 22.700 kg), the bit rotated at a speed of 67 to 11013 RP. The maximum WR of bits is 425, which is slightly below the average for the locations that are punched. The WR for the load on the bit determines the rotational speed divided by the bit gauge diameter.
この運転は、概ね対比可能な深さで同じ穿孔リグにより
穿孔された、7つの近隣の井戸における一般的なビット
による運転と比較される。平均的な運転は54時間で終
了し、2848ftの深さ穿孔され、侵入速度は約53
rt/l+rであった。故に、各コーン上のゲージ列に
J3けるダイA7七ンド先付はインサートを伴うビット
は平均浸入速度以上で運転され、運転旧聞及び穿孔深さ
は平均を僅かに下回った。This run is compared to a typical bit run in seven neighboring wells drilled by the same drilling rig at generally comparable depths. The average run lasts 54 hours, drills 2,848 feet deep, and has a penetration rate of about 53
It was rt/l+r. Therefore, the die A7 seven-end tip in J3 gauge row on each cone, the bit with the insert was operated at above average penetration speed, and the operating history and drilling depth were slightly below average.
総穿孔深さが僅かに低かった理由は、過剰な速度及びi
ui重で、砂岩の細脈を伴う苦灰岩の特に困難な着層内
でビットが運転されたからで、ゲージ列インサー1−は
破+41された。インリートの破壊は地面で検知され、
上記ビットによる穿孔は終了した。The reason why the total drilling depth was slightly lower was due to excessive speed and i
The gauge row insert 1- failed +41 because the bit was operated in a particularly difficult formation of dolostone with veinlets of sandstone at ui heavy. The destruction of Inreet is detected on the ground,
Drilling with the above bit has been completed.
インサートの破壊後、穴の15乃至20C【が寸法を下
回ったものと予想され、穴を拡げる必要があった。After the insert was destroyed, it was estimated that the hole was 15 to 20 cm smaller than its original size, and it was necessary to enlarge the hole.
例示の対比可能な穴において、拡げる必要のある穴の良
さは零から約150rtの節回である。In the example comparable hole, the hole goodness that needs to be widened is about 150 rt knots from zero.
第2の実験的なビットは、1si1rtの深さで穴内で
運転され、3687ftで引出され、総穿孔良は217
6ftであった。The second experimental bit was operated in the hole at a depth of 1si1rt and pulled out at 3687ft, with a total drilling quality of 217
It was 6ft.
穿孔時間は33時間で、平均侵入速度は66ft/l+
rであった。ビット上の荷重は15,000乃至55,
000ボンド(6,800乃至25,000k(1”)
で、速度は78乃至120RPMであった。ビットの最
大WRは穿孔される宕層の平均より上で、叩ち545で
あった。Drilling time was 33 hours and average penetration velocity was 66 ft/l+
It was r. The load on the bit is 15,000 to 55,
000 bond (6,800 to 25,000k (1”)
The speed was between 78 and 120 RPM. The maximum WR of the bit was 545 taps, above the average for the drilled holes.
同じ地層内の概ね対比可能な深さで、同じ穿孔リグで穿
孔された9本の確認井戸にJ3いて、平均運転h1は約
47時間で2680ftであり、平均侵入速度は57f
t、/hrであった。Nine confirmation wells were drilled with the same drilling rig at roughly comparable depths in the same formation at J3, with an average operating h1 of 2680 ft in approximately 47 hours and an average penetration velocity of 57 f.
It was t,/hr.
第2の実験的なビットは、ビットが鈍くなるか破糺1り
るか、或い【ユ摩耗するかの兆が地面においである萌に
穴から引出された。ビットの検査は、ダイヤ[ンド先付
はゲージ列インサート上に知覚可能な摩耗が存在しない
ことを示した。僅かなゲージ列−rンサートではダイヤ
センド層が僅かに欠(〕ていた。これ等の同じ穿孔条件
下において、通常のMUII!1!タングステン・7J
−バイト・ゲージ列イン1ノート[には明らかに摩耗が
観察された。ゲージ列に超硬タングステン・)j−バイ
ト・′インリ°−1−を右覆る通常のビットにJ3いて
ilJ寮されるよりも、ゲージ列から内方の超硬タング
ステン・カーバイド・インサート上の摩耗は少ないよう
であった。試験ピッi・のノコ−バイト・インサート上
には殆ど1@耗は認められなかった。多くのビットにJ
3いて内側インサートは非常に摩耗し、侵入速度は大き
く減少する。ゲージ列インサート上に摩耗がないことは
、穴の完全寸法を維持するだけでなく、ゲージ列から内
側のタングステン・カーバイド・インサートのための保
護を提供するものと信じられる。これは、ゲージ列の摩
耗がないと、ビット上の荷重がインサート上により均一
に拡散され、他のイン1ナートは過剰な荷重が掛からな
いために生じる。耐摩耗ゲージ列インサートは、ロック
・ピッ1−・ボディ上にコーンを支持号−るのに用いら
れるベアリングを保護ツることにより、別の利益を右す
る。ビットが摩耗して切削が寸法以下になった時、若し
くは寸法以下の穴を拡げる時、コーンのベアリング上に
は不適当な負伺がl)かる。ピッl〜のこの「ピンチン
グ」は、早期のベアリング破jOの原因となる。故に、
PCDで先付(プされたゲージ列インサートと、超硬金
属カーバイドの伯のインサー1〜とを伴うロック・ビッ
トの実施例は、本発明を実施する上で望ましい。A second experimental bit was pulled out of the hole at a time when there was no sign of the bit becoming dull, cracked, or worn out in the ground. Inspection of the bit showed that the diamond tip had no appreciable wear on the gauge row insert. A few gauge row-r inserts had a slight loss of the Diamond Send layer. Under these same drilling conditions, normal MUII!1! Tungsten 7J
- Obvious wear was observed on the bite gauge row in 1 note. Wear on the tungsten carbide insert inward from the gauge row than on a normal bit that covers the tungsten carbide insert in the gauge row. seemed to be few. Almost no wear was observed on the saw bite insert of the test piece. J to many bits
3, the inner insert becomes very worn and the penetration rate is greatly reduced. It is believed that the absence of wear on the gauge row insert not only maintains the integrity of the hole dimensions, but also provides protection for the inner tungsten carbide insert from the gauge row. This occurs because without gage row wear, the load on the bit is spread more evenly over the insert, and the other inserts are not overloaded. The wear-resistant gauge row insert provides another benefit by protecting the bearings used to support the cone on the lock pin body. When the bit wears so that it cuts below size, or when enlarging a hole below size, undue stress is created on the cone bearing. This "pinching" of the pitch causes premature bearing failure. Therefore,
A locking bit embodiment with a PCD preloaded gauge row insert and a cemented carbide insert is preferred in practicing the present invention.
ダイヤモンド先イ1【フィン1ノートは無視できる程度
の摩耗しか示さないため、破損の主な理由はイン量ナー
1−の欠損若しくは破壊に近いものと考えられる。従っ
て上記ビットは、通常のローラ・コーン・ロック・ビッ
トに比べて高い回転速度及び低い荷小で使用することが
望ましい。欠片を迅速に除去し、コーンの摩耗を最小に
づ′るため、良好な循環が望ましい。Since the diamond tip 1 [fin 1 note] shows negligible wear, the main reason for the breakage is thought to be near loss or destruction of the inner tip 1-. Therefore, it is desirable that the bit be used at higher rotational speeds and lower load capacities than conventional roller cone lock bits. Good circulation is desirable to quickly remove debris and minimize cone wear.
第4図は本発明に係る多結晶ダイヤモンドが先付けされ
たロック・ビット・インサートの他の実施例を示す。こ
のインサートは、円筒形グリップ58を具漏する通常の
超硬タングステン・カーバイド・ブランク57と、コー
ンの表面を越えて突出1゛るイン#−1−の一部分上の
集束端部と、を右し、コーン内にインサートは埋込まれ
る。集束端部で超硬タングステン・カーバイド・ブラン
クに隣接し、380μの厚さの内層59が存在する。内
層は250μの厚さの中間層60により覆われる。一方
これは125μの厚さの外層61により覆われる。FIG. 4 shows another embodiment of a polycrystalline diamond tipped lock bit insert according to the present invention. This insert has a conventional carbide tungsten carbide blank 57 that includes a cylindrical grip 58 and a converging end on a portion of the inn that protrudes beyond the surface of the cone. The insert is then embedded within the cone. Adjacent to the cemented carbide tungsten carbide blank at the focused end is an inner layer 59 with a thickness of 380μ. The inner layer is covered by an intermediate layer 60 with a thickness of 250μ. On the other hand, it is covered by an outer layer 61 with a thickness of 125μ.
外層61は上述のPCDである。中間層は60体積%の
PCD (6体積%のコバルトを含む)と40体積%の
予超硬タングステン・カーバイドとの混合体で形成され
る。内層は40体積%のPCDと60体積%の予超硬タ
ングステン・カーバイドで形成される。へル[t″)高
温で焼結し、上述の如く層の複合材料を形成した後、相
な作用により体積%は原混合体内の比率と僅かに相’A
−Jる。例λば、コバルト相内で幾分かのダイヤモンド
は溶解し、従ってPCD及び複合体内のダイヤモンドの
体積比率は僅かに減小する。The outer layer 61 is the PCD described above. The intermediate layer is formed of a mixture of 60 vol.% PCD (including 6 vol.% cobalt) and 40 vol.% pre-hardened tungsten carbide. The inner layer is formed of 40% by volume PCD and 60% by volume pre-hardened tungsten carbide. After sintering at a high temperature and forming a layered composite material as described above, due to phase effects, the volume % is slightly different from the proportion in the original mixture.
-Jru. For example, some diamond will dissolve within the cobalt phase, so the volume fraction of diamond within the PCD and composite will decrease slightly.
インリートの集束部分の外表面上にl) CDの層を有
することにより、Wllに対して用いられる際のインサ
ートのI!?耗は無視できる程度となる。])CD層と
超硬カーバイド基体との間に移行部を提供することによ
り、弾性係数及び熱膨張係数において移行部はPCD層
を保護する。PCD層近傍の中間層60は、内層59に
比べてl) CDが比較的高比率で、超硬カーバイドが
低比率で、従って、上述及び第3図図示の実施例におく
jる単一スデツプの代りに2ステツプで、外層と超硬カ
ーバイド・ブランクとの間に移行部を提供する。By having a layer of l) CD on the outer surface of the focusing portion of the inlet, the I! of the insert when used for Wll is improved. ? Wear is negligible. ]) By providing a transition between the CD layer and the cemented carbide substrate, the transition protects the PCD layer in terms of elastic modulus and thermal expansion coefficient. The intermediate layer 60 in the vicinity of the PCD layer has a relatively high proportion of CD and a low proportion of cemented carbide compared to the inner layer 59, and therefore has a single step in the embodiment described above and illustrated in FIG. Instead, two steps provide a transition between the outer layer and the cemented carbide blank.
第5図は本発明に係るインリ゛−トの更に別の実施例で
示す。この実施例にJ3いて、イン1ナート・ブランク
51の集束部分は多結晶ダイヤモンドの外層63を右J
る。このPCD外層は、1i CD層と超硬カーバイド
・ブランクとの間に性質の漸次移行部を右覆る内層64
により1ランクから分離される。FIG. 5 shows yet another embodiment of the inlet according to the present invention. In this example, the focusing portion of the inner blank 51 is placed on the right side of the outer layer 63 of polycrystalline diamond.
Ru. This PCD outer layer has an inner layer 64 that covers the gradual transition in properties between the 1i CD layer and the cemented carbide blank.
It is separated from 1 rank by.
この移行層はPCD外層63に隣接して、高比率のP、
cl’)(例えば80体積%若しくはそれ以上)及び低
比率の超硬タングステン・カーバイドを有する。This transition layer is adjacent to the PCD outer layer 63 and has a high proportion of P,
cl') (e.g., 80% by volume or more) and a low proportion of cemented carbide tungsten carbide.
超硬カーバイド・ブランクに向かって、移11層のダイ
ヤモンド含fi伝は漸進的に減少し、またf1随して予
超硬タングステン・カーバイドの比率が増大する。例え
ば、ブランクに隣接して多結晶ダイA7 Lンドの含有
量は20体積%で、予超硬タングステン・カーバイドの
含有量は80体積%である。移行層内のダイN7シンド
の比率の漸進的な移行は、’AJ宋において、P CD
外層と超硬タングステン・カーバイドL【体との間のb
1械的性質において、非常に多数の段階を提供する。Towards the cemented carbide blank, the diamond content of the 11 layer decreases progressively, and the proportion of pre-tungsten carbide increases accordingly. For example, the content of polycrystalline die A7 Lnd adjacent to the blank is 20% by volume, and the content of pre-tungsten carbide is 80% by volume. The gradual transition of the proportion of die N7 sind within the transition layer was explained by the 'AJ Song Dynasty, P CD
Between the outer layer and the carbide tungsten carbide L [body
In its mechanical nature, it provides a very large number of stages.
移行層はPCD層及び/J−バイト基体の神々の重要な
性質における移行を提供する。これは熱膨張係数及び弾
性係数の差を補償する。これはPCDとカーバイドとの
中間の音速を有し、このことはインリートを通して移動
する応力波が界面で応力の集中が少ないことを意味する
。ダイヤモンド結晶及び予超硬タングステン・カーバイ
ド粒子の移行層は、ダイヤモンド、コバルト及びカーバ
イド粉体の混合体と大ぎく相違する。予超硬カーバイド
粒子は、良好な纏まりをらたらす粉体の混合にお()る
圧力分散とは:11常に責なる、層内の圧力分散を提供
する複数の「小アンビル」として作用するものと考えら
れる。予超硬カーバイドは粉混合体よりも小さな孔を有
し、j1力の流UJ性を改良する。更に複合体内のカー
バイドの分散はわ)体とは大ぎく異なり、粉末鋼と比較
したコンクリ−1・内のバーを強化する鋼の使用に類似
覆る。大きく異なる性質は分散の相違からしたらされる
。The transition layer provides a transition in the important properties of the PCD layer and/J-Byte substrate. This compensates for differences in coefficients of thermal expansion and elasticity. It has a sound speed intermediate between that of PCD and carbide, which means that stress waves traveling through the inlet have less stress concentration at the interface. The transition layer of diamond crystals and pre-hardened tungsten carbide particles is very different from a mixture of diamond, cobalt and carbide powders. Pre-tungsten carbide particles act as multiple "small anvils" that provide pressure distribution within the layer, which is always responsible for the pressure distribution in powder mixing that provides good cohesion. it is conceivable that. The pre-tungsten carbide has smaller pores than the powder mixture, improving the flow UJ properties of the j1 force. Furthermore, the dispersion of carbide within the composite is very different from that of the composite, similar to the use of steel to strengthen bars in concrete compared to powder steel. Significantly different properties can be attributed to differences in dispersion.
本発明に係るロック・ビットにおいて種々の改良及び変
更が可能であることは明白である。3コ−ン型ロック・
ビットの一例がコーンの通常の支持体と共に以上にJ3
いて記述並びに例示されて来た。ダイVモンド先イ・1
【ノインリ゛−1へは、2コーン型ロツク・ビット若し
くは他の種々のロック・ビットにも使用することができ
る。PCD先付はインサー1−は、ゲージ例インサート
だけでなく、ロック・ビットの全ての切削@造に使用す
ることができる。It will be obvious that various improvements and modifications can be made in the locking bit according to the invention. 3 cone type lock
An example of a bit is J3 or above with the usual support of a cone.
have been described and exemplified. Dai V Mondo A.1
[A two-cone lock bit or a variety of other lock bits can also be used with the No. 1 lock bit. The PCD tip insert 1- can be used not only for gauge inserts, but also for all types of cutting of lock bits.
更にインリーート自体の変更も明白であろう。例えば以
上に記載の実施例にJ3いて、PCD層層は約125μ
の厚さを右り゛るが、所望とあればより厚い層が用いら
れる。PCD層は75乃至600μの厚さどすることが
できる。然し驚くことにPCDは穿孔される着層による
腐食に対して非常に抵抗づるため、たった125μの厚
さの層でら長スj命ロック・ビットに充分である。移行
層の厚さは100μ乃至3IIIl若しくはそれ以、L
とづることができる。Furthermore, changes to the inleat itself will also be obvious. For example, in the example J3 described above, the PCD layer is approximately 125μ
thicker layers may be used if desired. The PCD layer can be between 75 and 600 microns thick. Surprisingly, however, PCD is so resistant to corrosion by drilled deposits that a layer only 125 microns thick is sufficient for long life lock bits. The thickness of the transition layer is 100 μ to 3 III or more, L
can spell.
移行層にJ3けるPCDと予超硬カーバイド粒子との他
の比率ら既述のように用いることができる。Other ratios of PCD to precarbide particles in J3 in the transition layer can be used as described above.
例えばこれ等の層は、5乃至95体積%の多結晶ダイ\
7−シンド及び95乃至5体積%の予超硬タングステン
・カーバイドからなる。超硬タングステン・カーバイド
の結合祠含有聞に依存して、移行層の良好イ1焼結のた
めに、混合体内に追加のコバルi〜が含まれる。タンタ
ル・カーバイド若しくはチタン・カーバイドのような他
の金属カーバイドも曲の実施例において用いることがで
きる。For example, these layers may contain 5 to 95% by volume polycrystalline die\
7-cind and 95 to 5% by volume of pre-tungsten carbide. Depending on the bond content of the cemented carbide tungsten carbide, additional cobal is included in the mixture for good sintering of the transition layer. Other metal carbides such as tantalum carbide or titanium carbide may also be used in the song embodiments.
従って付属の特許請求の範囲の欄に記載の思想から離れ
ることなく、本発明は特記した以外でら実施可能である
ことを理解すべきである。It is therefore to be understood that the invention may be practiced otherwise than as specifically described without departing from the spirit as set forth in the appended claims.
第1図は例示のロック・ビットの概略側面図、第2図は
上記ロック・ビットの長手方向断面部分図、
第3図は上記ロック・ビットのためのインサー]・の一
実施例の長手方向断面図、
第4図は、F記イン暑ナートの他の実施例の長手方向断
面図、
第5図は上記ロック・ビット・インサートを形成するた
めのサブアセンブリの長手方向断面図。
10・・・[Jホデイ 11・・・カッタ・コーン 1
2・・・捩子付ぎピン 13・・・インサー1−16・
・・ジャーナル・ビン 19・・・ノーズ 20・・・
インIナートの外側列 46・・・グリップ 47・・
・集束端部分 48・・・外層 49・・・内層51・
・・インリート・ブランク 52・・・内側キjyツブ
53・・・外側キャップ 57・・・インサート・ブ
ランク 58・・・グリップ 59・・・内層 60・
・・中間層61・・・外層 63・・・外層 64・・
・内層特泊出願人 スミス インターナショナル。FIG. 1 is a schematic side view of an exemplary lock bit, FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional partial view of the lock bit, and FIG. 3 is a longitudinal direction of an embodiment of an inserter for the lock bit. 4 is a longitudinal sectional view of another embodiment of the F insert; FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a subassembly for forming the lock bit insert. 10... [J Hoday 11... Cutter Corn 1
2... Pin with screw 13... Inser 1-16.
...Journal bottle 19...Nose 20...
Outer row of inner inert 46...Grip 47...
・Focusing end portion 48...Outer layer 49...Inner layer 51・
... In-leat blank 52 ... Inner key 53 ... Outer cap 57 ... Insert blank 58 ... Grip 59 ... Inner layer 60.
...Middle layer 61...Outer layer 63...Outer layer 64...
・Inner layer special accommodation applicant Smiths International.
Claims (12)
の一端部における手段と、 ビットの軸を横断する軸の周りで回転するように、ボデ
ィに少なくとも1つのローラ・コーンを支持するための
、ボディの他端部における手段と、穿孔されるボア穴の
底部上で回転するようにボディに支持された少なくとも
1つのローラ・コーンと、 上記ボア穴の底部で岩を砕くための上記コーン内の複数
のインサートと、 からなるロック・ビットであって、 上記インサートの少なくとも1部分が、 コーン内に埋込まれるグリップ長さ及びコーン表面から
突出する集束端部分を有する超硬タングステン・カーバ
イド・ボディと、 カーバイド・ボディの集束端部上の多結晶ダイヤモンド
層と、 多結晶ダイヤモンド層とカーバイド・ボディとの間に存
在し、ダイヤモンド結晶及び予超硬タングステン・カー
バイド粒子を含む複合体からなる少なくとも1つの移行
層と、 からなることを特徴とする耐摩耗性インサートを有する
ロック・ビット。(1) a steel body; a means at one end of the body for connecting a bit to a drill string; and at least one roller cone in the body for rotation about an axis transverse to the axis of the bit. and at least one roller cone supported on the body for rotation over the bottom of the bore hole to be drilled; a plurality of inserts in the cone for use, wherein at least a portion of the inserts are made of carbide having a grip length embedded in the cone and a converging end portion protruding from the cone surface. a tungsten carbide body; a polycrystalline diamond layer on a focused end of the carbide body; and a composite comprising diamond crystals and pre-carbide tungsten carbide particles between the polycrystalline diamond layer and the carbide body. 1. A locking bit having a wear-resistant insert, characterized in that: at least one transition layer consisting of a body; and a wear-resistant insert consisting of:
び60体積%の予超硬タングステン・カーバイド粒子か
らなる特許請求の範囲第(1)項に記載のロック・ビッ
ト。2. The lock bit of claim 1, wherein said transition layer comprises 40% by volume polycrystalline diamond and 60% by volume pre-hardened tungsten carbide particles.
コバルトを含む特許請求の範囲第(2)項に記載のロッ
ク・ビット。(3) The lock bit according to claim (2), wherein the polycrystalline diamond layer contains 1 to 10% by volume of cobalt.
厚さを有する特許請求の範囲第(1)項に記載のロック
・ビット。(4) A lock bit according to claim 1, wherein the polycrystalline diamond layer has a thickness of 75 to 600 microns.
特許請求の範囲第(4)項に記載のロック・ビット。(5) A lock bit according to claim 4, wherein the transition layer has a thickness of 100 to 600 microns.
び95乃至5体積%の予超硬タングステン・カーバイド
からなる特許請求の範囲第(5)項に記載のロック・ビ
ット。6. The lock bit of claim 5, wherein said transition layer comprises 5 to 95 volume percent diamond and 95 to 5 volume percent pre-tungsten carbide.
ディとの間に第2移行層を含み、第2移行層は第1移行
層よりも低比率のダイヤモンド結晶及び高比率の予超硬
タングステン・カーバイドを含む複合体からなる特許請
求の範囲(1)項に記載のロック・ビット。(7) a second transition layer between the first transition layer and the carbide tungsten carbide body, the second transition layer having a lower proportion of diamond crystals and a higher proportion of pre-carbide tungsten than the first transition layer; - The lock bit according to claim (1), which is made of a composite material containing carbide.
比較的高いダイヤモンド含有量及び比較的低い予超硬タ
ングステン・カーバイド含有量と、タングステン・カー
バイド・ボディに隣接する比較的低いダイヤモンド含有
量及び比較的高い予超硬タングステン・カーバイド含有
量との間の漸時移行層を有する特許請求の範囲第(1)
項に記載のロック・ビット。(8) the transition layer has a relatively high diamond content and a relatively low pre-tungsten carbide content adjacent to the polycrystalline diamond layer and a relatively low diamond content and Claim 1 having a gradual transition layer between a relatively high pre-hardened tungsten carbide content.
Lock bits as described in section.
トである特許請求の範囲第(1)項に記載のロック・ビ
ット。(9) The lock bit according to claim (1), wherein the insert is a gauge row insert of the cone.
が多結晶ダイヤモンド層のない超硬タングステン・カー
バイドからなる特許請求の範囲第(9)項に記載のロッ
ク・ビット。10. The lock bit of claim 9, wherein the insert inward from the gauge row insert is made of cemented carbide tungsten carbide without a polycrystalline diamond layer.
ン、たがね形状、及び半球状からなる群から選択された
集束端部分を有する特許請求の範囲第(1)項に記載の
ロック・ビット。11. The lock of claim 1, wherein the insert has a convergent end portion selected from the group consisting of a parabolic shape, a rounded cone, a chisel shape, and a hemispherical shape. ·bit.
イヤモンド層と、ダイヤモンド層と超硬タングステン・
カーバイド・ボディとの間のダイヤモンド結晶及び予超
硬タングステン・カーバイドからなる移行層と、を有す
る特許請求の範囲第(1)項に記載のロック・ビット。(12) substantially the entire focusing portion of the insert is comprised of a polycrystalline diamond layer, a diamond layer and a carbide tungsten layer;
A lock bit according to claim 1, having a transition layer of diamond crystals and pre-hardened tungsten carbide between the carbide body.
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